基于輪軸原理的新型自行車手剎裝置設計與實驗

齊非凡，夏百花

（安徽三聯學院電子電氣工程學院，安徽 合肥 200601）

0 引言

當下的剎車裝置有不足之處，有新型裝置可以替代它。本文從應用前景，設計背景，裝置優勢，知識背景，裝置原理，可行性分析，外觀設計這些方面來說明新型剎車裝置。

自行車是一種很普遍的交通工具，從自行車問世以來，人們對于自行車有很多的改進，目的都是為了讓它更加實用。這里介紹一種新型自行車手剎裝置，用它可以替代目前的手剎裝置。

1 應用前景

自行車是當下重要的交通工具之一，共享單車更是讓騎自行車出行成為普遍的方式，如圖1所示。騎自行車出行可以鍛練身體，減少環境污染，方便快捷，可謂是一舉多得。中國是人口大國，同樣是自行車生產大國。根據市場分析調查報告統計，78%的中國家庭擁有自行車，中國擁有的自行車總數多達4.5億輛。近年來，我國自行車產量一直在5 000～6 000萬輛左右波動，變化不大。由此可見，自行車在中國有巨大的市場。由此帶來新型自行車剎車裝置的巨大市場。

圖1 共享單車

2 設計背景

現有的剎車裝置由于其空間構造方式導致它有一些不足之處。第一，剎車過程較為煩瑣，人們完成一個剎車動作，手指要多次運動，這影響了人們的騎行體驗[1]。第二，剎車所用的時間過長，煩瑣的剎車過程必然會導致剎車時間過長。在需要緊急剎車制動時，這會增加事故的發生率[2]。第三，剎車時人們四指都在剎車把手上，這讓人們對自行車的掌控力降低，人們對于自行車不能很好地掌控[3]。在路況不好時，會增加事故的發生率。

3 裝置優勢

相對于現有的剎車裝置，新型裝置有如下幾點優勢。第一，使用簡便。人們只要握緊把手，像擰油門一樣擰動手腕就可以完成剎車。第二，剎車時間短，降低事故發生率。簡單的剎車方式自然讓剎車所需的時間減短，減少事故發生率。第三，在剎車時對自行車掌控力增加。人們在剎車時可以用力握住車把手，即便路況不好也能從容應對。

4 知識背景

由輪和軸組成，能繞共同軸線旋轉的機械，叫作輪軸[4]。此系統可以繞共軸線旋轉，相當于以軸心為支點，半徑為桿的杠桿系統。所以，輪軸能夠改變扭力的力矩，從而達到改變扭力的大小。日常生活中常見的絞盤、石磨、駕駛盤、扳手、自來水龍頭的扭柄等都是輪軸類機械。外環叫作輪，內環叫作軸。輪軸兩個環是同心圓。輪和軸的半徑相差越大就越省力，但同時越費距離。輪軸的實質是可以連續旋轉杠桿．使用輪軸時，一般情況下作用在輪上的力和軸上的力的作用線都與輪和軸相切，因此，它們的力臂就是對應的輪半徑和軸半徑．由于輪半徑總是大于軸半徑，因此當動力作用于輪時，輪軸為省力費距離杠桿，如圖2所示。

圖2 剎車裝置

5 裝置原理

此剎車裝置，由輔助部分和輪軸系統組成，如圖3所示。以右手把手為例。輔助部分固定在鋼鐵圓管上，輪軸系統安裝在輔助部分上[5]。旋轉輪部分就會帶動左邊的軸部分旋轉，軸部分上固定有剎線，軸旋轉，剎線就纏繞在軸上，從而達到拉動剎線，剎車制動的目的。在剎車完成后，剎線帶動輪軸回到原裝態。考慮到人們手腕力量可能不夠，在輪部分人手手掌根下方和手指末端做一個突出設計，方便人們擰動手腕，剎車制動。

圖3 剎車裝置結構示意圖

6 可行性分析

6.1 空間結構層面

首先，在手握車把手時，人手所能擰動的最大角度大約是70°，所以輪軸也會旋轉70°。剎車時，剎線大約需要收縮1 cm。剎車線固定在軸上，軸旋轉70°，剎線就要收縮1 cm，通過這些條件可以計算出軸端直徑約為1.6 cm。現有的剎車裝置應用了杠桿原理，人們用較小的力就可以有很好的省力效果，人們所提供的力和對剎線的拉力之比大約為1∶2。輪軸在這里我們也按照這一比例來設計新型裝置。輪的直徑為3.3 cm。直徑3.3 cm的把手，人手是可以穩定地握住的。考慮到部分人手腕的力量不夠大，為了更加容易擰動把手，需要在人手掌根部的下方和手指的末端做一個突出的裝置。這兩個裝置可以看成是增加了輪部分的半徑，改變了輪端與軸端的半徑比，從而更省力。

6.2 力量層面

使用現有的剎車裝置，在一般情況下剎車的所需的力大約為60 N,在緊急情況下人剎車所的用力大約為120 N。使用新型剎車裝置，很容易提供60 N的力，最大可以提供200 N的力。也就是說，使用新型裝置剎車在力量上沒有問題。

6.3 其他細節

第一，把手用摩擦系數大的材料覆蓋，而且把手上有凹槽，這都是為了增大手指握把手時的摩擦力。第二，在使用新型裝置時，人們會不經意間擰動把手，讓剎線收縮。但由于剎車片設計，剎車線微小的收縮不會讓剎車片與車輪接觸，產生摩擦力，阻止車輛行駛。第三，使用新型裝置，自行車的一些配件空間結構也要改變。首先是車把鋼鐵圓管的直徑需要改到1 cm左右，這樣才能讓新型裝置安裝在自行車上。其次剎車線的形狀也要改變。已有剎車線的末端體積過大，不能夠安裝在狹小的空間中，所以要將其體積縮小。

6.4 外觀設計

相較于當下的剎車裝置復雜的外形，此裝置主體外形簡潔,呈圓柱體形狀。裝置安裝在自行車上后，一眼看去給人一種沒有剎車裝置的錯覺。簡潔的裝置與當下自行車簡化的設計理念不謀而合。整個裝置不僅使用起來簡便快捷，外觀設計也簡潔大方。

由以上的分析和比較可以看出新型自行車手剎裝置是完全切實可行的，而且實用性、外觀都比當下剎車裝置要優越。